摘要：岩溶地区的特殊地质给岩溶地区桩基钻进成孔带来了很大困难，文章结合岩溶地区特质，通过工程实例，对全充填岩溶地区冲孔灌注桩的施工技术做了阐述，以期为类似岩溶地区桩基础施工提供借鉴。
关键词：岩溶地区；冲孔灌注桩；施工技术
0 引言
岩溶地区冲孔灌注桩施工设计高，技术难，不可预见因素多，地形、地貌特殊，地质条件复杂，表现形式常有溶沟、溶槽、溶芽、溶隙、溶洞等。且冲孔灌注桩施工尚无系统全面的方法和经验，施工中塌孔、卡钻、埋钻、超灌等现象时常发生，威胁施工安全。本文拟对岩溶地区施工中存在的问题及针对问题提出的解决措施做了简单的总结，为以后类似的工程地质条件下的桩基础施工提供参照。
1 工程概况
某大楼先建六层，以后根据需要再增加至10层。拟建实验大楼工程概况如表1所示。
表1 拟建实验大楼的工程概况
桩基础为冲孔灌注桩：冲孔灌注桩是利用冲击式钻机或卷扬机把带钻刃的、有较大质量的冲击钻头提高，主要依靠自由下落的冲击力以达到削切岩层或冲挤土层的目的，此时一部分的碎渣和泥浆可能会挤入孔壁当中。除此之外，其余大部分成为泥渣，用特制的捞渣工具陶土成孔，最后灌注混凝土成桩。冲孔桩与其他桩型相比具有冲击能大、穿透力强、对地层适应性好。尤其在灰岩地区实施效果良好。
1.1 场地位置及地形地貌
拟建场地原始地貌为丘陵地貌，场地内地势北高南低，测得各钻孔孔口标高介于43.25～44.95m之间，高差1.7m左右。
1.2 地层岩性
场地内各土层概况及物理力学性质见表2。
表2 场地内各岩土层物理力学性质
1.3 场地岩溶发育特征
在勘察完成的23个钻孔中，有12个钻孔遇见岩溶，岩溶可见率为52%，结果表明，该场地基岩岩溶较发育，岩石顶面起伏较大，对基础施工造成不利影响。地下水或地表水沿可溶性岩石的节理裂隙或岩层层面溶蚀、侵蚀而产生的槽状及洞状形态，称之为石芽、溶蚀沟槽、溶洞，此三者为岩溶的主要形态，其间一般充填棕红色可塑～软塑状黏土及少量碎石。岩溶主要发育在岩层浅部，按地面标高算起，埋深在8.50～11.20m之间，平面分布无规律。在钻探揭露范围内，岩溶随深度增加逐渐减弱。溶蚀沟槽均被含有碎石黏土全充填，此现象表明岩溶形态为早期地下水溶蚀痕迹，近期地下水活动不强烈，岩溶发育已趋减弱。
2 施工工艺
建筑物的基础为冲孔灌注桩，其主要施工工艺流程为：①确定桩位，利用测量工具根据桩基平面布置图，确定桩的位置，并在场地中用小钢筋或其他显眼的物体做好标记。②埋设护筒，护筒埋设时要保证其中心位置与桩的中心位置在垂直平面内处于同一直线上，护筒埋好后，为防止漏浆，四周应回填黏土，并夯实。③泥浆制备，见图1。该工程岩溶充填区土层孔隙比较大，成孔过程中易发生泥浆渗漏，施工中应加大泥浆比重或者采用钢护筒护壁。④清孔、及灌注混凝土。
图1 泥浆制备池
在冲孔钻进时，由于土层的互异性，即土层的各项物理力学指标的差异性，要因地制宜，根据土层各自的特点分别采取不同的钻进方法。如粉质黏土具有质软的特点，缩径是此类地层成孔过程中发生的常见事故；为避免此类事故的发生，成孔过程中应采用小冲程冲进，同时加大泥浆比重。当钻至碎石黏土层时，该土层含灰岩角砾，棱角状，粒径多为10～18mm，为防止漏浆，冲孔时应采用高低冲程交替冲砸，以便能将块石挤入孔壁周边的缝隙中。
3 问题及对策措施
3.1 沉渣过厚
沉渣过厚产生的原因：①护壁泥浆浓度选用的不合适，未能把冲击破碎下的碎屑，通过泥浆循环，返至孔外。②冲击成孔过程中，由于一些外在因素，比如混凝土供应问题，导致空孔时间过长；由于监管的缺失，施工单位一味地追求利润，二次清孔流于形式。
解决对策：①当采用正循环施工工艺时，在孔隙比小，抗水性好的黏土层中，泥浆的浓度控制在1.05～1.20g/mL之间，冲进至含碎石黏土层时，与黏土层相比，其孔隙比有所增加，泥浆密度宜控制在1.26～1.31g/cm之间。渗透性大，岩溶裂隙发育，岩体较破碎的地层时，泥浆密度宜在1.30～1.50g/cm3之间，整个施工过程必须保持连续性。②二次清孔：根据场地的地层分布特性，孔底沉渣的成分主要为泥块与沙砾组成，这是因为孔壁岩土层松散，易塌落。假设泥浆中的小颗粒为球形，受三个力的作用：重力G、浮力P和泥浆对颗粒的阻力R。开始时颗粒所受的重力大于浮力与阻力之和（G＞R+P），颗粒向下运动，阻力与下降的速度成正相关性，当颗粒受力处于平衡状态时，颗粒保持匀速运动或处于悬浮状态。由雷廷格尔公式可求出临界速度υ0：
式中：υo为颗粒间的临界速度，m/s；k为颗粒间的形状系数，圆形颗粒为4～4.5，不规则颗粒为2.5～4.0；ρs为颗粒的密度，kg/m3；ρ为泥浆的密度，kg/m3；δ为颗粒直径，m。
从而可求得泥浆流量。对于任何一种清孔方式，都必须保证其满排时浆液的上反速度大于颗粒运动的临界速度，从而选择合适的泥浆泵。考虑工程上的可行性与经济性，该工程采用泵吸反循环清孔，清孔时，注意反浆速度，防止流速过大使孔壁坍塌。清孔后沉渣厚度应≤50mm。
3.2 孔内坍塌与漏浆
孔内坍塌与漏浆产生的原因：①地层原因：当钻至岩溶充填黏土层时，该层由碎石黏土全充填，可塑～软塑状，孔隙比大，孔内泥浆难以储存，泥浆通过孔隙往外渗透，造成孔内泥浆面下降。导致地下水位高于孔内泥浆液面，造成孔壁坍塌。②施工原因：钢筋笼下放过程中，因施工操作不当，导致钢筋笼撞击孔壁，孔壁土层被扰动，从而导致孔内坍塌。
解决对策：①将孔内泥浆抽出，查明孔内坍塌的位置，往钻孔中回填片石与黏土的混合料，直到坍塌处以上1～2m，然后用冲锤冲击回填料，待片石与黏性土的回填料挤压到孔壁四周的孔隙时，再正常钻进。②对于泥浆渗漏严重的情况，可以采取加大泥浆密度（添加膨润土）至1.3g/cm3左右，当泥浆浓度不足时也可以加入水泥或采用钢护筒护壁（见图2），钢护筒的埋深应超过松散层，待松散层施工完毕后，为防止钢护筒被埋，应立即将钢护筒拔出。当施工至孔隙比发育的地层时，施工人员要勤于观察冲孔内浆液面的高度，当发现孔内泥浆面高度突然下降时，可将备用泥浆池中的泥浆抽至孔中，始终保持孔内泥浆液面的高度高于地下水位。钢筋笼下放时，要保持缓慢匀速，且在孔口设置导向装置，让其垂直放入孔内。钢筋笼下放至孔底后，施工人员应立即将其固定。
图2 钢护筒护壁
3.3 卡钻
卡钻原因：①冲孔成桩过程中，由于冲击能对孔壁周围土层的扰动，孔壁周围的石块下落，或者孔口有石块掉入钻孔中。②在击穿溶洞顶板时，操作人员未采用低冲程冲击钻进，钻头突然击穿顶板。
解决对策：①当卡钻发生后，首先应准确查清导致卡钻现象的原由以及钻头所处的位置，不宜强采用吊车提取。此时，应该左右和上下方向晃动大绳索，或者将小冲锤，小掏渣筒下放到孔内，使卡钻的石块挤进孔壁或使卡口处的石块松动、破碎。②如果采用上述方法后，问题仍无法得到解决，这时可以使用高压水枪冲射卡钻处。为防止卡钻事故的发生，当钻至接近溶洞顶板层时，应马上回填袋装的黏土，片石以及碎石的混合物等，大约1.5～2.0m厚，此后采用小冲程反复冲砸，直至混合体形成一个能传递冲击能的坚硬柱体，再进行正常的冲击钻进。
3.4 偏孔
冲孔钻进至中风化灰岩时，由于灰岩属较硬岩石，岩体完整，岩溶发育不平衡，岩面高低起伏较大。冲孔钻进时，若压力过大，在软硬岩层交界处，桩锤倾向于往岩石强度低的地方冲进，即产生顺层跑的现象。
解决对策：①回填法：施工过程中发现钢丝绳在提升过程中，摆动的幅度大，说明已产生偏孔现象。当发现偏孔后，应立即停止施工，回填与孔底岩石强度相同的块石与黏土，采用低冲程冲击，使同等强度的片石填满孔底低洼处，形成致密层，块石的充填高度应超过偏孔位置处，通常为1m左右，再正常冲击钻进。若采用上述方法仍然无效，可以灌注比岩石强度等级高的混凝土，利用捣锤使混凝土浇筑密实，待混凝土形成一定强度等级后，再重新冲击成孔。②爆破纠偏：当所在地层的岩石强度高，岩面起伏大，上述方法处理无效时可采用爆破法纠偏。采用地质钻机在斜岩处钻孔，钻孔的深度需根据场地的岩层特性与上部建筑物情况来确定，但必须控制钻孔底部在距桩基持力层面0.8～1.0m处终孔。钻孔完毕后，采用水下爆破法，药剂采用具有防水作用的硝化胶质炸药，爆破的目的是使孔底岩层松动，且不扰动孔壁。药剂的含量应根据场地的地层特性，借鉴成功的工程案例，现场实验综合确定，切不可盲目。防止炸药量添加过多，使持力层的岩面受到扰动，降低承载力。
3.5 断桩
冲孔桩施工过程中，钻头对孔壁黏土有挤压的作用，孔壁周围的溶洞、土洞裂隙会暂时性的封闭，但在混凝土灌注过程中，由于混凝土密度大，下落时产生冲击力，破坏临时封闭的孔隙，导致混凝土大量流失，若此时导管内混凝土量不足，或者导管提拔的速度过快，泥浆侵入导管导致断桩。
措施：灌注前应进行导管的气密性试验，灌注所用的混凝土应符合国家有关规范，其坍落度一般（180～220mm），混凝土灌注前应测量混凝土的坍落度。不符合要求的坚决退回，同时也应进行导管的气密性试验。地下水活动强烈的地层，混凝土浇灌前应做好止水工作或采用套管跟进。初次灌注时，应保证所灌注的混凝土产生的压力大于孔底沉渣所产生的阻力，整个灌注过程应保证连续、快速性。提升导管应准确可靠，始终保持导管埋入混凝土中1m左右。导管提升速度在软土层中一般为0.6～0.8m/min，一般在1.2～1.5m/min，具体参数应根据现场试验确定。断桩处理非常麻烦，一般以预防为主，若断桩严重的话，就只能补桩。
4 实施效果
（1）通过对工程已完工的冲孔桩施工记录进行检查，114根桩中有100根桩一次性成孔，成功率达到了89%，达到了预期目标。
（2）施工过程中没有发生卡钻的事故，由于预先对施工过程中可能发生的事故做了充分的防范与应对措施，施工过程中一些不可避免的事故也未给工程造成很大的延期。提前一个月完成了工程。
（3）采用高应变法对桩基进行检测，所检测的桩基承载力均达到了设计要求。
5 结语
综上所述，岩溶地区地质条件复杂性，施工中不可预见的因素较多，桩基施工难度较大，技术含量高，因此要根据工程实际情况，采用适宜的方法进行施工。该工程在采用冲孔灌注桩施工技术后，其施工进展非常顺利，为整个工程施工进度控制节省了很多时间，同时也达到了预期目标，取得了很好的施工效果，给施工单位带来了良好的经济效益，值得深入推广。
参考文献：
[1]钟华.岩溶地区的冲孔桩灌注桩施工技术探讨[J].科技信息，2012（17）：386-386.
[2]覃卓萍，王杰光，赵翔，等.岩溶地区冲孔灌注桩的施工技术[J].兰州工业学院学报，2014，21（4）：65-68.
论文作者:高麒
论文发表刊物:《北方建筑》2016年12月第36期
论文发表时间:2017/3/29
标签：冲孔论文; 岩溶论文; 泥浆论文; 黏土论文; 混凝土论文; 土层论文; 地层论文; 《北方建筑》2016年12月第36期论文;